绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统及探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光主动遥感探测技术领域，涉及一种绝对探测大气温度的转动拉曼 激光雷达系统，还涉及利用上述转动拉曼激光雷达系统绝对探测大气温度的方法。
【背景技术】
[0002] 大气温度是大气状态的重要指标，近二十年来，拉曼激光雷达作为一种主动遥感 探测技术得到了迅速发展和应用，其探测原理依赖于大气分子转动拉曼散射谱遵循含温度 信息的波尔兹曼分布，故其探测不受气溶胶消光影响，在气溶胶粒子丰富的低空可获得较 尚的探测精度。
[0003] 然而，现有拉曼激光雷达探测大气温度技术都采用相对探测技术，需要进行多种 对比实验和数据校正。它们都采用两路温度敏感性相反的转动拉曼信号之比R(T，z)反演 大气温度廓线T(z)，即
[0004]
【主权项】
1. 绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于：包括依次连接的系统控 制平台（1)、脉冲激光器（2)、准直扩束系统（3)，沿准直扩束系统（3)的光路出射方向依次 设有分光镜（4)、第一反射镜（7)、第二反射镜（8)、第三反射镜（9)，经所述分光镜（4)反射 的部分光束射向光电检测器（5)，所述系统控制平台（1)还分别与放大电路（18)、数据处理 平台（21)及所述光电检测器（5)连接，所述数据处理平台（21)还依次连接放大电路（18)、 光电探测系统（16)、拉曼谱型光谱分光系统（14)，拉曼谱型光谱分光系统（14)通过多模光 纤（13)与高效耦合器（12)连接，高效耦合器（12)用于接收大口径望远镜（11)收集的散 射光。
2. 根据权利要求1所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于： 所述系统控制平台（1)通过第一连接电缆（6)与所述光电检测器（5)连接；所述系统控制 平台（1)通过第四连接电缆（20)与所述放大电路（18)连接；所述系统控制平台（1)通过 第五连接电缆（22)与所述数据处理平台（21)连接，数据处理平台（21)通过第三连接电缆 (19)与所述放大电路（18)连接，放大电路（18)通过第二连接线缆（17)与所述光电探测 系统（16)连接，光电探测系统（16)通过六条单模光纤（15)与所述拉曼谱型光谱分光系统 (14)连接。
3. 根据权利要求1所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于： 所述第一反射镜（7)与所述第二反射镜（8)在竖直方向上平行设置，所述第二反射镜（8) 与所述第三反射镜（9)在水平方向上平行设置，第三反射镜（9)位于所述大口径望远镜 (11)的筒口处。
4. 根据权利要求1所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于： 所述拉曼谱型光谱分光系统（14)包括光纤线阵列（23)、准直凸透镜（24)及衍射闪耀光 栅（25)，光纤线阵列（23)位于准直凸透镜（24)左侧的焦平面处，光纤线阵列（23)并行输 出六路转动拉曼信号通道，所述六路转动拉曼信号通道分别为第一连接光纤（26)、第二连 接光纤（31)、第三连接光纤（36)、第四连接光纤（41)、第五连接光纤（46)、第六连接光纤 (51)，所述多模光纤（13)接在所述光纤线阵列（23)上，所述多模光纤（13)的输出端端面 (57)位于准直凸透镜（24)的焦点处，所述衍射闪耀光栅（25)位于所述准直凸透镜（24)的 右侧，所述衍射闪耀光栅（25)的光栅刻线数为1200grooves/mm，刻划面积为50mmX50mm， 光栅闪耀角为17° 27'，光栅闪耀阶次为第一级。
5. 根据权利要求4所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于： 所述第一连接光纤（26)通过第一光纤耦合器（27)与通道一输出光纤（30)的一端耦合，所 述通道一输出光纤（30)的另一端与单模光纤（15)连接，所述第一光纤耦合器（27)上还并 行设置有第一光纤布拉格光栅（28)与第二光纤布拉格光栅（29); 所述第二连接光纤（31)通过第二光纤耦合器（32)与通道二输出光纤（35)的一端耦 合，所述通道二输出光纤（35)的另一端与单模光纤（15)连接，所述第二光纤耦合器（32) 上还并行设置有第三光纤布拉格光栅（33)与第四光纤布拉格光栅（34); 所述第三连接光纤（36)通过第三光纤耦合器（37)与通道三输出光纤（40)的一端耦 合，所述通道三输出光纤（40)的另一端与单模光纤（15)连接，所述第三光纤耦合器（37) 上还并行设置有第五光纤布拉格光栅（38)与第六光纤布拉格光栅（39); 所述第四连接光纤（41)通过第四光纤耦合器（42)与通道四输出光纤（45)的一端耦 合，所述通道四输出光纤（45)的另一端与单模光纤（15)连接，所述第四光纤耦合器（42) 上还并行设置有第七光纤布拉格光栅（43)与第八光纤布拉格光栅（44); 所述第五连接光纤（46)通过第五光纤耦合器（47)与通道五输出光纤（50)的一端耦 合，所述通道五输出光纤（50)的另一端与单模光纤（15)连接，所述第五光纤耦合器（47) 上还并行设置有第九光纤布拉格光栅（48)与第十光纤布拉格光栅（49); 所述第六连接光纤（51)通过第六光纤耦合器（52)与通道六输出光纤（55)的一端耦 合，所述通道六输出光纤（55)的另一端与单模光纤（15)连接，所述第六光纤耦合器（52) 上还并行设置有第^ 光纤布拉格光栅（53)与第十二光纤布拉格光栅（54)。
6. 根据权利要求5所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于： 所述单模光纤（15)、第一连接光纤（26)、通道一输出光纤（30)、第二连接光纤（31)、通道二 输出光纤（35)、第三连接光纤（36)、通道三输出光纤（40)、第四连接光纤（41)、通道四输出 光纤（45)、第五连接光纤（46)、通道五输出光纤（50)、第六连接光纤（51)及通道六输出光 纤（55)的芯径均为3. 5 μ m，数值孔径均为0. 13 ; 所述通道一输出光纤（30)输出的转动拉曼信号的波长为A1= 531.01nm;所述通 道二输出光纤（35)输出的转动拉曼信号的波长为λ 2= 530.1 lnm;所述通道三输出光纤 (40)输出的转动拉曼信号的波长为λ 3= 529. 66nm;所述通道四输出光纤（45)输出的转 动拉曼信号的波长为λ4= 528. 76nm;所述通道五输出光纤（50)输出的转动拉曼信号的 波长为λ 5= 527. 86nm;所述通道六输出光纤（55)输出的转动拉曼信号的波长为λ 6 = 527. 42nm ； 所述通道一输出光纤（30)、通道二输出光纤（35)、通道三输出光纤（40)、通道四输出 光纤（45)、通道五输出光纤（50)及通道六输出光纤（55)的带宽容限均为±0.08nm。
7. 根据权利要求4所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于： 所述第一连接光纤（26)的信号输入端面为通道一光纤端面（58)，通道一光纤端面（58)距 所述准直凸透镜（24)焦点的距离为149 μπι ;所述第二连接光纤（31)的信号输入端面为通 道二光纤端面（60)，通道二光纤端面（60)距所述准直凸透镜（24)焦点的距离为377 μπι; 所述第三连接光纤（36)的信号输入端面为通道三光纤端面（61)，通道三光纤端面距所述 准直凸透镜（24)焦点的距离为491 μπι;所述第四连接光纤（41)的信号输入端面为通道四 光纤端面(63)，通道四光纤端面(63)距所述准直凸透镜（24)焦点的距离为718 μπι;所述 第五连接光纤（46)的信号输入端面为通道五光纤端面(65)，通道五光纤端面(65)距所述 准直凸透镜（24)焦点的距离为945 μπι;所述第六连接光纤（51)的信号输入端面为通道六 光纤端面(66)，通道六光纤端面(66)距所述准直凸透镜（24)焦点的距离为1058 μπι。
8. 根据权利要求1所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于： 所述多模光纤（13)的芯径为0. 1mm，数值孔径为0. 22。
9. 根据权利要求5所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统，其特征在于： 所述第一光纤親合器（27)、第二光纤親合器（32)、第三光纤親合器（37)、第四光纤親合器 (42)、第五光纤親合器（47)和第六光纤親合器（52)的親合比均为50:50,中心波长均为 530nm，带宽均为10nm。
10. 根据权利要求1-9任一权利要求所述的绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系 统的探测方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤I :将均匀功率谱密度的宽谱光源接入所述多模光纤（13)，通过所述数据处理平 台（21)测量所述六路转动拉曼信号通道的探测灵敏度Km(其中，m为转动拉曼通道，m= 1， 2, 3,4, 5,6); 步骤2 :将激光雷达回波信号接入所述多模光纤（13)，由光电检测器（5)实时监测激光 脉冲发射时刻，所述数据处理平台（21)同步测量所述六路转动拉曼信号通道的输出信号 功率为Pm(z，T); 步骤3 :采用步骤1得到的六路转动拉曼信号通道的探测灵敏度Km(m = 1，2, 3,4, 5,6) 归一化处理步骤2得到的输出信号功率Pm(z，T)，即得到归一化后的六路转动拉曼信号功率 为 P' m(z，T)
步骤4 :由转动拉曼激光雷达方程可知，各通道转动拉曼信号的功率为
其中，z为探测高度，T为大气温度，K为拉曼激光雷达的系统常数，Ptl为激光脉冲平均 功率，c为光速，τ为激光脉冲宽度，\为望远镜受光面积，Y(Z)为发送与接收的光路重叠 系数，N(Z)为高度ζ处的大气分子数密度，J n表示拉曼通道m对应的转动量子数，〇 ' m(Jn， T)为温度T时转动量子数Jn的转动拉曼信号的散射截面积，α (z)为高度z处的大气消光 系数； 令系统因子F(Z)为
步骤5 :利用最小二乘原理，将步骤4中算得的转动拉曼散射截面积〇 ' m(Jn，Τ)与 理想的转动拉曼散射截面积〇m(Jn，T)进行匹配，令高度为\处的温度T(Za)和系统因子 F(Za)分别表示为八和Fa，构建匹配误差函数E (Ta，Fa)为
步骤6:将高度Za下的温度1\、系统因子匕代入公式（5)中，得到
对公式⑶匹配误差函数E (Fa，Ta)中的温度1；求偏微分，令求得的微分方程为零，得 到含有系统因子匕与温度Ta的方程式一；对公式⑶匹配误差函数E(Fa，Ta)中的系统因 子^求偏微分，令求得的微分方程为零，得到含有系统因子F a与温度T a的方程式二；将得 到的含有系统因子Fa与温度T a的方程式一与含有系统因子F a与温度T a的方程式二联立方 程组求解，得出系统因子Fa与温度T a; 由于高度za的任意性，因此直接反演得到任意高度z处的大气温度T (z)，实现对大气 温度的绝对探测。
【专利摘要】本发明公开一种绝对探测大气温度的转动拉曼激光雷达系统及探测方法，包括依次连接的系统控制平台、脉冲激光器、准直扩束系统，沿准直扩束系统的光路出射方向依次设有分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，经分光镜反射的部分光束射向光电检测器，系统控制平台还分别与放大电路、数据处理平台及光电检测器连接，数据处理平台还依次连接放大电路、光电探测系统、拉曼谱型光谱分光系统，拉曼谱型光谱分光系统通过多模光纤与高效耦合器连接，高效耦合器用于接收大口径望远镜收集的散射光。解决了现有拉曼激光雷达系统对大气温度检测时需要并行测量设备进行数据校正的局限性。
【IPC分类】G01S17-95, G01K11-32
【公开号】CN104749580
【申请号】CN201510116473
【发明人】李仕春, 华灯鑫, 辛文辉, 宋跃辉
【申请人】西安理工大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月17日